定電流源回路の仕組みと設計方法

定電流源とは、負荷のインピーダンスに関係なく一定の電流を流し続ける回路です。
内部抵抗が大きい(理想的には無限大)ため、負荷の変動によって電圧が変動します。

本稿では定電流源の仕組みと回路例、設計方法をご紹介していきます。

定電流源の仕組み

下図のように、負荷に対して一定の電流を流す定電流回路を考えます。

定電流源

電圧はオームの法則より

V = I × R

で決まります。
電流は負荷が変化しても一定ですので、電圧はRに比例した値になります。

したがって、負荷に対する電流、電圧の関係は下図のように表されます。

電流源と負荷、電圧の関係

電流源の内部抵抗は、

r = Δ( VCC – V ) / ΔI

で計算できます。

理想的な電流源の場合、電流は完全に一定ですので、ΔI=0となります。
したがって、内部抵抗は無限大となります。

しかし、実際には内部抵抗は有限の値を持ちます。
そのため、電源電圧によって電流値に誤差が発生します。

電流源の内部抵抗による影響

上図のように、負荷に流れる電流には(VCC-Vo)/rの誤差が発生することになります。

定電流源回路

定電流源回路の作り方について、3つの方法を解説していきます。

電圧電流変換回路

VI変換(電圧電流変換)を利用した定電流源回路を紹介します。
主に回路内部で小信号制御用に使われます。

トランジスタを使った簡易回路

定電流源回路

トランジスタのダイオード接続を2つ使って、2VBEの定電圧源を作ります。
2VBE電圧源からベース接地でトランジスタを接続し、エミッタ側に抵抗を設置します。

これにより、抵抗:RSにはVBE/RSの電流が流れます。
この電流をカレントミラーで折り返し、負荷へ出力します。

簡単に構成できますが、温度による影響を大きく受けるため、精度は良くありません。

オペアンプを使った電流源

精度を改善するため、オペアンプを使って構成します。

定電流源回路

基準電源として、温度特性の良いツェナーダイオードを選定すれば、精度が改善されます。
また、高精度な電圧源があれば、それを基準としても良いでしょう。

オペアンプの出力にNPNトランジスタを接続して、VI変換を行います。
トランジスタのエミッタ側からフィードバックを取り基準電圧を比較することで、エミッタ電圧がVzと等しくなるように電流が制御されます。
抵抗:RSに流れる電流は、Vz/RSとなります。

この電流をカレントミラーで折り返して出力します。

フィードバック制御

出力電流を直接モニタしてフィードバック制御を行う方法です。
大きな電流を扱う場合に使われることが多いでしょう。

定電流源回路

シャント抵抗:RSで、出力される電流をモニタします。
オペアンプの-端子には、I1とR1で生成した基準電圧が入力されます。
I1はこれまでに紹介したVI変換回路で作られることが多いでしょう。

オペアンプの+端子には、VCCからRSで低下した電圧が入力されます。

よって、R1で発生する電圧降下:I1×R1とRSで発生する電圧降下:Iout×RSが等しくなるように制御されます。
したがって、出力電流:Ioutは

Iout = ( I1 × R1 ) / RS

で計算されます。

この記事のキーワード

関連記事
特性インピーダンスとは?導出・計算方法について解説

特性インピーダンスとは、伝送線路に交流信号が通った時に発生する電圧と電流の比です。 例えば、同軸ケーブルでは特性インピーダンスが50Ωですが、これは抵抗値が50Ωというわけではありません。 DCでのインピーダンスはほぼゼロですが、高周波を通した時には同軸ケーブル内に存在する静電容…

コレクタ接地(エミッタフォロワ)回路の特徴と使い方

コレクタ接地回路とは、バイポーラトランジスタのコレクタを入出力共通端子とし、ベースを入力、エミッタを出力として使う回路です。 電流増幅率が高く、電圧増幅作用がない(1倍)という特徴を持ちます。 出力(エミッタ)が入力電圧に追従することから、エミッタフォロワとも呼ばれます。 本稿で…

カレントミラー回路の動作原理と設計計算の方法

カレントミラーとは、電流源で作った基準電流をコピー(複製)する回路です。 電流を鏡のように写すことからその名が付けられています。 本稿では、カレントミラーの原理と、ミラー電流の計算方法について解説します。 INDEXカレントミラーの原理出力電流を2倍にする方法1.並列接続する2.…

コンパレータの設計方法とヒステリシスの作り方

コンパレータとは、2つの入力電圧を比較して出力を切り替える回路です。 非反転入力端子(+端子)の電圧の方が高ければ出力電圧はHi、反転入力端子(-端子)の電圧の方が高ければ出力電圧はLoとなります。 片側の入力電圧を固定して閾値とし、もう一方の電圧が閾値より高いか低いかを判定する…

入力インピーダンスと出力インピーダンスの関係

入力インピーダンス、出力インピーダンスは電子回路を設計する上で必ず必要になる知識です。 入出力インピーダンスの関係が適切でないと、信号のレベル低下、振幅の減衰が起こり、機器の動作に異常を引き起こす場合があります。 本稿では、入力インピーダンス、出力インピーダンスとは何か、その求め…